CN1144394A - X射线管 - Google Patents

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沃尔特·多尔夫勒
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Abstract

本发明涉及一种X射线管，它有一个阳极(7)和一个与阳极(7)相隔一定距离设置并具有一个电子发射极(5)的阴极装置，该阴极装置带有用于电子束(E)的聚焦器(22a，22b)，该电子束在X射线管工作时从电子发射极(5)发出并入射到阳极(7)上聚光区(BF)中，电子束(E)的焦点(F1)处于电子发射极(5)与聚光区(BF)之间。

Description

X射线管
本发明涉及一种X射线管，它有一个阳极和一个与阳极相隔一定距离设置并带一个电子发射极的阴极装置，该阴极装置具有用于电子束的聚焦器，该电子束在X射线管工作时从电子发射极发出并入射到阳极上的聚光区上。
这类X射线管(见例如EP0210076A2)用于X射线成象系统。对于传统的X射线管，X射线在聚光区中的强度分布具有两个峰值。这种强度分布给对图象质量起决定性作用的调制传递函数造成不利影响(见A.Gebauer等人所著“Das Roentgenfernsehen”第26至33页，1974年斯图加特Georg Thieme出版社)。此外，在聚光区中两个峰值附近，功率密度很大因而阳极的温度也非常高。而采用接近高斯曲线的强度分布，既可获得调制传递函数的一种有利的变化曲线，又可在理论上做到使阳极的最高温度降低约10％(或在最高温度相同时相应地提高功率)。
这类X射线管在EP0115731A2，FR2650703A1，US4689809，DE4304142C2和DE3001141A1中均作了介绍。其中，作为聚焦器各采用了一个设有电子发射极安装槽的阴极头，在上述前三种文献中，阴极头彼此对置的壁可加上不同的电位，以便能使聚光区在阳极的入射面上移动。相比之下，在上述后两种文献的情况下，聚光区可调整为不同的大小。在DE3001141A1中，这一点是通过沿槽的纵向将阴极头分为若干段来达到的，这些段可加上不同的电位。在DE4304142C2中，将电子发射极分成奇数段，其中或只有中央段，或除此之外还有互相对应的成对外段是被激活的。
不同尺寸的聚光区用DE-PS151237中所介绍的如开头所述类型的X射线管也是可以实现的，确切地说通过两个彼此可沿轴向相对移动的电子发射极-段实现，其中根据移动位置，或仅内部的圆形段，或附加地还有在外面的环形段是被激活的。在这种情况下，电子束的聚焦通过使电子发射极-段凹镜状地弯曲来达到。
本发明的目的是，改进开头所述类型的X射线管，使聚光区形成高斯曲线状的强度分布。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种X射线管，它有一个阳极和一个与阳极相隔一定距离设置并具有一个电子发射极的阴极装置，该阴极装置具有用于电子束的聚焦器，该电子束在X射线管工作时从电子发射极发出并入射到阳极上的聚光区中，该电子束的焦点在电子发射极与聚光区之间。
可以肯定，对于这样设计的聚焦器，在聚光区会形成一种高斯曲线状的强度分布。在这里，所谓“焦点(Fokus)”理解为主焦点，也就是对聚光区内强度起决定性作用的电子束部分的焦点，电子束的这些部分通常从电子发射极上直接与阳极相邻的区域发出。至于电子束的对聚光区的强度不起决定作用的部分，它们从电子发射极上或多或少偏离开阳极的区域，例如从电子发射极背面发出，并可能会存在一些强度低得多的偏离于主焦点的副焦点。根据电子发射极的形状和聚焦器的影响，对焦点而言可以是一种至少近似点状的或至少近似于线状的焦点，其中，在线状焦点的情况下，高斯曲线状的强度分布只能垂直于此线状焦点而存在。
一种特别有利的实施形式规定，电子发射极是平面发射极。这样就能做到在聚光区上的X射线有更加接近于高斯曲线状的强度分布，因为由平面发射极产生的聚光区，与例如借助于一种螺旋形的电子发射极产生的聚光区相比，离高斯曲线状的标准更近。平面发射极通常应理解为是这样一种电子发射极，即，它的规定用于发射电子的区域表现为一个至少基本上是平的表面。当然，实际上不可避免地，在规定进行电子发射的平面之外也发射电子，不过这一部分电子发射实际上是次要的。但是它仍然会导致聚光区所谋求的强度分布发生不希望的偏离。因此特别有利的是将平面发射极加上涂层，从而使电子的发射至少基本上仅在平面发射极的正对阳极的平面范围内进行。要做到这一点，或将此规定用于发射电子的表面涂覆一种材料，这种材料与此平面发射极上其余表面的材料相比，具有更强的电子发射能力；和/或将此平面发射极的不用于电子发射的表面涂覆一种材料，这种材料与规定用于电子发射的区域的材料相比，具有弱的电子发射能力。
按照本发明的一种方案，电子发射极装在聚焦器的聚焦槽内。在这种情况下，至少聚焦槽的一个壁处于影响焦点位置的电位上。尤其在采用平面发射极的情况下，聚焦槽最好是分段的，确切地说这样分段：即邻近阳极的段比远离阳极的段宽，其中，平面发射极设置在从远离阳极的段到邻近阳极的段过渡的区域内。在这种情况下，按本发明的实施形式，至少聚焦槽的一段具有矩形横截面，和/或至少聚焦槽的一段具有梯形横截面，在梯形横截面的情况下，聚焦槽的壁朝阳极方向扩张。
本发明特别优选的实施形式规定，聚焦槽以两对彼此电绝缘的互相对置的壁为界，其中，一对壁处于第一电位而另一对壁处于第二电位，此时，至少有一对壁其电位选择为，使相应的焦点位于电子发射极与聚光区之间。也就是说存在着这样的可能性，即，焦点的位置可在两个方向上分别独立地选择，例如在聚光区的长度方向和在聚光区的宽度方向上。
本发明另一个目的是，在保持聚光区中X射线成高斯曲线状强度分布的条件下，能以简单的方式调整聚光区的尺寸。按本发明的实施形式达到这一目的是通过，使聚焦器的焦点与聚光区之间的距离可调。这一措施是基于这种认识作出的，即焦点与聚光区间的距离对聚光区大小有决定作用，其中，焦点离聚光区越远，聚光区就越大。由于焦点与所调整的聚光区尺寸无关地位于电子发射极与此聚光区之间，所以保证了在聚光区中有高斯状强度分布，而与所调整的聚光区尺寸无关。
通过调整影响焦点位置的电位亦即第一和/或第二电位，可以调整焦点的位置。但是也还存在这样的可能性，即通过沿电子束中轴线的方向改变电子发射极在聚焦槽中的位置，影响焦点的位置。
在电调整时对于既可调整第一电位又可调整第二电位的情况，可以规定第一和第二电位能彼此独立地进行调整。
下面通过附图所示实施例详细说明本发明。其中：
图1为本发明X射线管纵剖面的示意图；
图2为图1所示X射线管阴极装置主要部分的透视图；
图3和4为说明图1和2所示X射线管功能并示出电力线和电子轨迹的曲线图；
图5为本发明另一种X射线管的阴极装置主要部分的纵剖图；
图6为本发明X射线管电子发射极的剖面图；
图7为电子发射极另一种方案与图6类似的视图。
图1中用数字1表示X射线管的管壳，在所介绍的实施例中，该管壳按已知的方式用金属和陶瓷或玻璃制成，其他的材料也是可行的。在管壳1里面的支持件2上装有阴极装置3，阴极装置3有一个装在作为聚焦器的阴极体4内的电子发射极，将该电子发射极设计为热阴极5。与热阴极5相对置，设有一个其总体用7表示的旋转阳极，该旋转阳极有一个经由轴8与转子9连接的阳极盘10。转子9以图1中未表示的方式可旋转地支承在一根与管壳1连接的轴11上。在转子9所在区的管壳1外壁上装设有定子12，该定子与转子9共同工作，构成一个用于驱动旋转阳极的电机。
X射线管工作时，通过导线13和14向定子12供入交流电，使经由轴11与转子9相连的阳极盘10旋转。
管的电压通过导线15和16施加，其中，导线16与热阴极5的一个接线端连接。热阴极5的另一个接线端与导线17相连，通过导线17可向热阴极5供入加热电流。在这种情况下，从热阴极5发射一束电子束。
此电子束如图1中虚线表示的那样，射在阳极盘10的入射面19上用BF表示的聚光区中。从聚光区BF出发的X射线，从射束透明窗20射出。
由图1和2可见，热阴极5是一种平面发射极，它装在阴极体4的分段聚焦槽21中。
阴极体4有四个壁22a，22b和23a，23b，它们构成聚焦槽21的边界。壁22a与22b或23a与23b分别互相平行地相对设置。
壁22a和22b或23a和23b分别处于一个共同的电位U1或U2上。为此，它们通过导线26和27与电源24和25相连。壁22a和22b按图1和2中未表示的方式与壁23a和23b电绝缘。
选择加在与平面发射极长边相邻的壁22a和22b上的电位U1，使从平面发射极的朝向阳极盘10的那一面射出的电子束的会聚焦点F1处于平面发射极与聚光区BF之间(见图3)。
通过这些措施，从垂直于平面发射极纵轴线的方向观察，从聚光区出发的X射线，形成了一种按开头所述原理更为有利的高斯曲线形强度分布，由于焦点F1位于平面发射极与聚光区BF之间，所以与先有技术的情况相比，这种强度分布非常接近高斯曲线形的理想标准，而在先有技术中，从平面发射极看，焦点F1通常在聚光区BF的另一侧，亦即在阳极盘10内部。
为了能改变聚光区BF的宽度B，壁22a和22b上的电位可以改变。为此目的，由电源24所提供的电压是可调的，这在图2中通过调整箭头示意出，而且无论正电位还是负电位都是可调的。
在这种情况下，焦点F1随着正电位U1的增大朝聚光区BF的方向移动，因此聚光区BF的宽度B减小。随着负电位U1的增大，焦点F1从图3所示位置出发朝平面发射极的方向移动，其结果是使聚光区BF的宽度B增加。
有关与平面发射极的窄边相邻的壁23a和23b的结构设计为，当壁23a和23b所处的电位U2为0伏时，属于壁23a和23b的焦点F2如图4所示在阳极盘10内部或在阳极盘10另一侧。沿平面发射极纵轴方向看，则在聚光区BF中形成一种不完全近似于高斯曲线形状的X射线的强度分布，然而尽管如此这一点没有太大的意义，这是因为，由于旋转阳极7入射面的截锥形形状，而使聚光区BF的纵轴线和从聚光区BF出发的X射线束的中央射线M构成了一锐角α。从一个射线接收器(例如X射线软片或X射线照相放大器)来看，在聚光区BF的纵轴线方向出现X射线强度分布中的峰值，然而不是很高。
但是原则上还存在这种可能性：对于壁23a和23b的结构可以设计为，使焦点F2处于聚光区BF与平面发射极之间。而且通过壁23a和23b有可能使焦点F2的位置发生变化，从而可以调整聚光区BF的长度L。为此调整电位U2。正电位U2越高，聚光区就越长(焦点F2离平面发射极越远)。负电位U2越低，聚光区BF的长度L越短(焦点F2靠近聚光区BF)。
实验证明，在调整聚光区BF的长度L时，实际上不会改变调整好的聚光区BF的宽度B。反之亦然。
此外，在图3和4中注明的轴线符号也表示在图2所画的空间坐标系中的坐标轴。
按图1为X射线管配有控制器28，它产生X射线管工作所需的全部电压和电流，除此之外，还用于调整焦点F的位置并因而调整聚光区BF的宽度B和长度L，也就是说，控制器28还包括电源24和25。调整聚光区BF的尺寸可由操作人员借助于一个与控制器28连接的调节装置29来实施，调节装置29上有分别用于调整聚光区BF的宽度B和长度L的相应标明的旋钮B或L。这种调整也可以自动进行，例如根据聚光区BF与射线接收器或射线接收器与目标之间每次所调整的距离来进行。这些距离对于有关的放大系数有决定意义。
图5所示的实施例与上面所介绍的不同之处在于，代替电位U1和U2的可调性，规定平面发射极与聚焦槽21之间彼此可以相对移动，确切地说这是为了改变平面发射极在聚焦槽21中的深度位置。
在按图5所示实施例的情况下为做到这一点，将平面发射极装在一个陶瓷件34上，此陶瓷件34穿过第二陶瓷件35的孔，后者装在壁22a，22b(在图5中看不见)，23a和23b上。图上示意表示的调节器36作用于陶瓷件34，调节器36可以是例如一个压电变换器或振动线圈，类似于扬声器中的音圈。调节器36可令平面发射极沿电子束E的中心线方向作直线移动。在图5中用一个双向箭头表示移动方向Z。
在平面发射极沿Z向移动时可以很好地调节聚光区BF的宽度B，而此时聚光区BF的长度L几乎保持恒定。若在图5所示实施例的情况下，还应更大程度地改变聚光区BF的长度L，为此需要改变壁23a和23b所处的电位U2，这在图2中用电源25通过导线27与壁23a和23b相连接来说明。
通过用虚线表示的结构同时还带来一个优点，即，就是在图5所示的实施例的情况下，聚光区BF的宽度B和长度L彼此也是可以独立调整的，因为一方面是通过调整电位U2实现的，而另一方面却是通过使平面发射极沿Z方向的移动实现的。
在两种实施例的情况下聚焦槽21是这样分段的：邻近旋转阳极7的段比远离旋转阳极7的段要宽。按图2，平面发射极装在从远离旋转阳极7的段向邻近旋转阳极7的段过渡的区域内。聚焦槽21在远离旋转阳极7的段的范围内，沿纵剖面和沿横剖面都具有矩形的轮廓。在邻近旋转阳极7的段的范围内，无论在纵剖面还是在横剖面中，聚焦槽21均具有V形轮廓，这一V形轮廓朝旋转阳极7的方向扩张。在聚焦槽21的纵剖面中，矩形轮廓直接过渡为V形轮廓，而在聚焦槽21的横剖面内设有一个台阶。
平面发射极或热阴极5应如图2至4中表示的那样，设在远离旋转阳极7的较窄段里面(负的坐标位置)。从而做到从平面发射极背面和侧边发射的电子只能有少量到达入射面19，其结果是形成一个较小的清晰的聚光区。
基于相同理由，在平面发射极的侧边与聚焦槽的装此平发射极的段之间的距离也应当很小(数量级为0.1至0.3毫米)。
同样出自与此相同的原因，平面发射极或热阴极5应尽可能薄，以便做到只有少量电子从平面发射极侧边区中发射出来。
还存在另一种或附加的可能性，其中，在图6中举例表示的设计为平面发射极的热阴极5，其平面发射极由基体30和在基体30上的涂于应发射电子的表面的区域内的涂层31组成。其中，涂层31是由一种与基体30的材料相比具有更强的电子发射能力的材料构成的。作为基体30的材料例如可考虑用钨或钼，作为涂层31的材料可考虑用六硼化镧(LaB6)。
在图7中同样举例表示的设计为平面发射极的热阴极5的另一种可能性中，平面发射极由基体32与涂层33组成，涂层33覆在基体32上不用于发射电子的表面的区域，而且此涂层33用一种与基体32的材料相比电子发射能力差的材料组成。在图7中还用虚线附加地表示了一种可能性，即在规定用于电子发射的表面所在区内还设有涂层31，它用一种与基体32的材料相比具有更强的电子发射能力的材料构成。
适合作为基体32的材料例如有LaB6，适合作为涂层33的材料有钨或钼。
此外，对无论是按图1图2还是按图5制成的X射线管均进行了试验。在这两种情况下，假设电极距离为13毫米，阳极电压为5千伏，加热电流为5安，管电流为几个微安。管中采用的平面发射极宽2毫米，长10毫米，厚50微米。通过在-40伏到40伏之间改变电位U1，可在约0.35到约1.3毫米之间调整聚光区BF的宽度B。通过在-100伏到100伏之间改变电位U2，可在4.3到7毫米之间调整聚光区BF的长度L。通过沿Z方向移动平面发射极0.55毫米，可在0.4到1.5毫米之间调整聚光区BF的宽度B。在这种情况下，平面发射极在聚焦槽21中的位置越深，聚光区BF的宽度B便越大。对于平面发射极的上述调整范围而言聚光区长度的改变可以忽略不计。
在试验时保持X射线在聚光区BF内的强度分布垂直于平面发射极的纵轴线方向良好地接近高斯曲线形的强度分布，而与每次所调整的聚点区BF的宽度B或长度L无关。
上述实施例涉及的是旋转阳极X射线管。但本发明也可用于具有固定阳极的X射线管。
在所介绍的实施例中，电子发射极装置由直热式热阴极构成，该热阴极产生射在入射面上有关的聚光区中的电子射线。但是也可用其他电子发射极来代替热阴极，如旁热式阴极或电子射线枪。若采用旁热式阴极作电子发射极，那不必如所介绍的实施例中那样必须将它设计为平面发射极。相反，可以如例如DE-OS2727907中介绍的那样采用曲折形状的带状发射极，或采用传统的螺旋线(Dra-htwendeln)，其中，出于上述理由，尤其后者是不太有利的。

Claims (9)

1、一种X射线管，它有一个阳极(7)和一个与阳极(7)隔开一定距离设置并有一电子发射极(5)的阴极装置(3)，该阴极装置(3)带有用于电子束(E)的聚焦装置(4，22a，22b，23a，23b，24，25；4，22a，22b，23a，23b，36)，所述的电子束在X射线管工作时从电子发射极(5)发出并入射到阳极(7)上的聚光区(BF)中，电子束(E)的焦点(F1)处于电子发射极(5)和聚光区(BF)之间。
2、按照权利要求1所述的X射线管，它有一个平面发射极作为电子发射极(5)。
3、按照权利要求1或2所述的X射线管，其中，电子发射极(5)安装在聚焦装置(4，22a，22b，23a，23b，24，25；4，22a，22b，23a，23b，36)的聚焦槽(21)内，其中，聚焦槽(21)的至少一个壁(22a，22b)处于影响焦点(F1)位置的电位(U1)上。
4、一种X射线管，它的聚焦槽(21)以两对彼此电绝缘互相对置的壁(22a，22b及23a，23b)为界，其中，有一对壁(22a，22b)处于第一电位而另一对壁(23a，23b)处于第二电位(U1或U2)，其中，至少有一对壁其电位(U1)选择为，使相应的焦点(F1)位于电子发射极(5)与聚光区(BF)之间。
5、按照权利要求1至4之一所述的X射线管，其中，焦点(F)与聚光区(BF)之间的距离是可调的。
6、按照权利要求3和5所述的X射线管，其中，聚焦槽(21)的壁(22a，22b或23a，23b)处于可调的电位(U1或U2)上。
7、按照权利要求4和5所述的X射线管，其中，第一和/或第二电位(U1或U2)是可调的。
8、按照权利要求7所述的X射线管，其中，第一电位(U1)可独立于第二电位(U2)调整。
9、按照权利要求3至8之一所述的X射线管，其中，电子发射极(5)与聚焦槽(21)可彼此相对移动，以便改变电子发射极(5)在聚焦槽(21)中的深度位置。
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